CN108584716A - 一种门式起重机安全防护和作业辅助系统 - Google Patents

一种门式起重机安全防护和作业辅助系统 Download PDF

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CN108584716A
CN108584716A CN201810418073.0A CN201810418073A CN108584716A CN 108584716 A CN108584716 A CN 108584716A CN 201810418073 A CN201810418073 A CN 201810418073A CN 108584716 A CN108584716 A CN 108584716A
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梁锦雄
窦琴
曹晓军
刘清
徐家
饶广州
杨保军
孔海球
陈国兴
万彤
牟洋
张志刚
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Beijing Jing Heng Wei Shi Technology Co., Ltd.
Express container terminal (Shenzhen) Co., Ltd.
SHEKOU CONTAINER TERMINALS LTD.
SHENZHEN LIAN YUNJIE CONTAINER TERMINALS LIMITED
Wuhan University of Technology WUT
Original Assignee
Beijing Jing Heng Wei Shi Technology Co Ltd
Express Container Terminal (shenzhen) Co Ltd
SHENZHEN LIAN YUNJIE CONTAINER TERMINALS Ltd
SHEKOU CONTAINER TERMINALS Ltd
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B66CCRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
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    • B66C19/00Cranes comprising trolleys or crabs running on fixed or movable bridges or gantries
    • B66C19/002Container cranes

Abstract

本发明公开了一种门式起重机安全防护和作业辅助系统,包括系统控制器和分别与所述系统控制器连接的激光扫描仪、拖车放行指示灯和作业辅助显示器;所述系统控制器利用起重机、拖车和堆场的基本工况参数、从起重机控制系统获取的实时工况参数和从所述激光扫描仪获取的实时扫描数据完成复合工况参数及作业辅助数据的计算和作业险情的判定,并向起重机控制系统和所述拖车放行指示灯发出险情规避操作指令,同时将所述作业辅助数据发送给所述作业辅助显示器进行显示。本发明不但能够确保车道内装卸作业的安全,而且能够提升整体作业的效率,实现安全生产和高效生产的目的。

Description

一种门式起重机安全防护和作业辅助系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种门式起重机安全防护和作业辅助系统,主要用于在港口集装箱装 卸作业过程中对各种作业险情进行检测和预防,同时计算和输出作业对位数据,提升作业 效率。
背景技术
[0002] (一)二维激光扫描仪
[0003] 二维激光光电扫描仪通过内部的旋转机构在一个扫描平面上对周边环境进行激 光扫描测距,测距方式是“飞行时间测量”:
[0004] 1、在当前的测量方向上发射圆形光斑的激光脉冲;
[0005] 2、对从被测目标表面反射回来的激光脉冲进行接收;
[0006] 3、对激光脉冲从发射到被接收的时间进行测量,通过“时间-距离转换”得到当前 测量方向角上被测目标的距离;
[0007] 4、通过旋转机构在一个平面(激光扫描平面)上连续改变测量方向角,实现对周边 环境在此平面上的截面轮廓的测量,以极坐标表示方式给出测量数据,并可以进一步转换 为扫描仪设备坐标系下的二维直角坐标表示。
[0008] 基于上述技术的二维激光扫描仪(以下简称激光扫描仪)能够在全天候条件下有 效工作,获取精确的距离和二维形状数据,是实现大型机械设备自动化安全作业的重要传 感器。
[0009] (二)作业设备及作业场布局
[0010] 如图1所示,本发明的基本应用场合为目前最为普遍的、采用贯通式单车道门式起 重机的20呎/40呎集装箱装卸作业码头,各作业要素说明如下:
[0011] 1、集装箱:为长方体形状的金属箱体,在上下底面四角立柱上开有“锁孔”,用于吊 装和在平板上固定。集装箱具有不同的“箱型”,本发明涉及的箱型包括20呎箱、40呎箱(普 通箱和高箱)和45呎箱,各箱型的长宽高和锁孔间距为国际标准,其中箱宽和锁孔间距宽度 完全相同,长度和高度各不相同;40呎和45呎箱型的上下底面中部还有4个锁孔,孔位兼容 两个20呎箱的锁孔孔位;
[0012] 2、门式起重机:为框架结构的起重机,由司机操作,结构要素包括:
[0013] 1)大车:由两套“门腿”和一对架设在门腿上的横梁组成,门腿上安装有轮对,作业 时沿垂直于横梁的方向在地面行走,称为“大车”:
[0014] 2)小车:在横梁上铺设有钢轨,架设了一个轮轨行走机构,可以沿横梁方向行走, 称为“小车”;
[0015] 3)吊具:在小车上通过钢丝绳吊装了一个“吊具”,可以通过收放钢丝绳实现升降, 吊具主梁具有两对可伸缩的水平“吊臂”,吊臂底面两端带有可旋转的“锁销”,锁销插入集 装箱锁孔并旋转后可实现与集装箱的紧固连接,吊具按需要装卸的集装箱的箱型伸缩吊 臂,使锁销与集装箱的上表面锁孔对准,实现对集装箱的吊运,某些类型的吊具带有8个锁 销,既可以吊装1个20呎/40呎/45呎箱,也可以吊运2个20呎箱;
[0016] 4)司机室:小车下方悬挂了一个“司机室”,起重机司机在司机室内面向吊具方向 操作起重机的大车和小车行走,以及吊具的升降、吊臂伸缩和锁销旋转,实现集装箱的装卸 作业;
[0017] 3、拖车:为带有平板的卡车,平板上带有可旋转的“锁销”,用于固定装载的集装 箱。拖车平板有两种长度,其中半长拖车用于装载20呎集装箱,其平板带有4个锁销,与20呎 集装箱底面的4个锁孔匹配;全长拖车用于装载全部类型的集装箱,其平板带有8个锁销,分 别与两个20呎集装箱的底面的锁孔匹配,或与一个40呎或45呎集装箱的底面锁孔匹配;
[0018] 4、堆场:位于陆地地面的集装箱码放区,按矩形网格整齐排列,网格的行方向为左 右方向,列方向为前后方向;每格内堆放一组长宽相同、上下严格对齐的集装箱箱垛;每行 网格内的集装箱沿左右方向对齐,每列网格内的集装箱箱长相同,并沿前后方向对齐;
[0019] 5、车道:位于后门腿下方地面的左右方向的拖车行车通道。拖车从起重机左右两 侧沿车道进入并停驻于起重机下方,与司机相配合,通过使用吊具实现集装箱的装卸作业。
[0020] (三)作业流程
[0021] 采用上述的作业模式的集装箱码头的基本作业内容为堆场与拖车之间的集装箱 交换,包括装箱作业和卸箱作业,典型流程为:
[0022] 1、装箱:起重机司机根据作业指令伸缩吊臂,与目标箱箱长匹配;操作大车沿左右 方向行驶至指定箱列,使吊具与箱列左右对齐;操作小车将吊具运送至目标箱组上方,使吊 具与目标箱前后对齐;下降吊具抓取目标箱,并锁闭吊具锁销;操作小车使吊具吊运目标箱 至车道上方,此时拖车应已到达起重机下方,其平板与指定箱列大致对齐;下降吊具,使目 标箱下底面下降至平板上方的较低高度上,与拖车司机配合对位,使目标箱的底面锁孔与 平板锁销准确对齐;将目标箱放置于平板上,平板锁销插入目标箱底面锁孔,操作吊具解 锁;起升吊具;拖车尚开。
[0023] 2、卸箱:起重机司机操作小车回到车道上方;根据作业指令伸缩吊臂,与目标箱箱 长匹配;操作大车行驶至指定箱列,此时拖车应已到达起重机下方,其平板与指定箱列大致 对齐,且平板锁销应已解锁;下降吊具到目标箱上方较低高度,与拖车司机配合对位,使吊 具与目标箱准确对齐,下降吊具抓取目标箱;起升吊具;拖车离开;操作大车沿左右方向微 调,使吊具与目标箱列左右对齐;操作小车将吊具运送至目标箱组上方,使吊具与目标箱位 前后对齐;下降吊具,将目标箱放置在目标相位;操作吊具解锁,并起升吊具。
[0024] (四)作业险情及险情规避方式
[0025] 采用前述的集装箱装卸作业流程,车道作业的主要作业险情及对应的险情规避方 式包括:
[0026] 1、大车碰撞:大车在左右行走的过程中,因起重机司机视线受阻,或周边环境的能 见度较低,导致大车行走部撞击障碍物,对应的险情规避方式为大车制动;
[0027] 2、碰砸车头:装箱作业时,吊具带作业箱下降过程中,拖车车头进入作业箱下方的 垂直覆盖范围,导致被砸,对应的险情规避方式为吊具制动;
[0028] 3、车道碰箱:在双20呎装箱作业过程中,吊具带箱下降过程中,拖车上另一个20呎 箱进入作业箱下方垂直覆盖范围,导致被砸,对应的险情规避方式为吊具制动;
[0029] 4、拖车吊起:卸箱作业时,因拖车平板锁销未全部有效解锁,导致拖车平板连同作 业箱一起被吊起,对应的险情规避方式为吊具制动;
[0030] 5、吊具横拉:拖车在带箱情况下过早启动并横拉吊具,导致吊具钢丝绳损坏,过早 启动的情况包括:卸箱作业时,带箱吊具尚未上升至适当高度,或拖车平板锁销未全部有效 解锁;装箱作业时,吊具锁销尚未解锁或空吊具尚未上升至安全高度;对应的险情规避方式 为拖车禁行。
[0031] (五)作业辅助
[0032] 采用上述的集装箱装卸作业流程,影响作业效率的主要因素为大车和小车带动吊 具与堆场目标箱位或拖车载箱箱位的行列对位,本发明涉及的对位包括:
[0033] 1、装箱:抓箱时,大车与陆地堆场目标箱位的左右对位;
[0034] 2、卸箱:抓箱时,大车和小车与拖车承载的作业目标箱箱位的前后和左右对位;放 箱时,大车与陆地堆场目标箱位的左右对位。
[0035] 上述操作都需要司机操作移动大车,对位过程缓慢,精确对位依赖于司机的作业 技能;如果能够对司机给出大车和小车的对位偏差量,将有助于提升作业效率。
[0036] (六)应用现状
[0037] 针对上述险情,目前已有一些独立防护系统,例如大车防撞系统和拖车防吊起系 统投入使用,这些系统仅采集了局部的作业工况数据,即使采用堆砌式使用方式,也无法实 现作业信息的完整采集和综合防护,且在系统部署方面存在很大困难。
发明内容
[0038] 为了克服现有技术的上述缺点,本发明提供了一种综合性的门式起重机安全防护 和作业辅助系统,为人工操作的单车道贯通式门式起重机的车道集装箱装卸作业提供全面 的安防防护,同时为提高作业效率提供作业辅助。
[0039] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种门式起重机安全防护和作业辅 助系统,包括系统控制器和分别与系统控制器连接的激光扫描仪、拖车放行指示灯和作业 辅助显示器;所述系统控制器通过以太网与所述激光扫描仪通讯,并通过工业控制总线与 起重机控制系统通讯,所述系统控制器利用起重机、拖车和堆场的基本工况参数、从起重机 控制系统获取的实时工况参数和从所述激光扫描仪获取的实时扫描数据,完成复合工况参 数及作业辅助数据的计算和作业险情判定,并向起重机控制系统和所述拖车放行指示灯发 出险情规避操作指令,同时将大车对位和小车对位的所述作业辅助数据发送给所述作业辅 助显示器进行显示。
[0040] 与现有技术相比,本发明的积极效果是:
[0041] 本系统通过4台激光扫描仪和起重机的控制系统获取必要的实时工况信息以及周 边的工作环境信息,在此基础上生成大车、吊具、拖车和相关作业箱的二维和三维空间位置 信息,基于大车和吊具的运动状态分析这些空间位置发生各种类型空间冲突的趋势,从而 实现对作业险情的发现,并向起重机控制系统发出险情规避操作指令、通过拖车放行指示 灯发出拖车禁行指令,达到防止作业事故发生的目的;同时通过作业辅助显示器向起重机 司机提供作业对位数据,帮助司机缩短作业对位时间,提高作业效率。
[0042] 本系统同时实现了门式起重机在车道一侧的集装箱装卸作业的安全防护,以及在 车道和陆地堆场的部分作业对位数据的计算和输出,不但能够确保车道内装卸作业的安 全,而且能够提升整体作业的效率,实现安全生产和高效生产的目的。
附图说明
[0043] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
[0044] 图1为门式起重机作业设备及作业场布局示意图;
[0045] 图2为门式起重机安全防护和作业辅助系统的结构示意图;
[0046] 图3为门式起重机安全防护和作业辅助系统的安装示意图;
[0047] 图4为门式起重机安全防护和作业辅助系统的处理流程图;
[0048] 图5为从垂直激光扫描仪的实时扫描数据中提取吊具工况参数的示意图;
[0049] 图6为从水平激光扫描仪的实时扫描数据中提取拖车工况参数的示意图;
[0050] 图7为从水平激光扫描仪的实时扫描数据中提取堆场工况参数的示意图。
具体实施方式
[0051] —、工况信息及空间数据定义
[0052] 为实现对作业险情的有效发现,同时提升作业效率,系统需要获取一系列的工况 信息和空间数据,并根据这些数据进行综合分析判断,基于判定结果对起重机和拖车实施 操作控制,并输出作业辅助数据。
[0053] 为清晰表述这些工况信息和空间数据,特做出如下定义。
[0054] 1、方位定义
[0055] 本发明中的方位按起重机司机的驾驶姿态定义,因此,大车的行走方向为“左/右” 方向,小车的行走方向为“前/后”方向,吊具位于司机的前方,运动方向为“上/下”方向。
[0056] 下文的叙述中,拖车的行驶作业工况设定为从左至右,如果存在双向通行的情况, 可针对每种情况单独处理,不影响方法的叙述。
[0057] 2、大车坐标系及相关定义
[0058] 本发明中所涉及的尺度、位置、方向、速度、加速度的表述使用如下的大车坐标系: X轴指向右方,Y轴指向前方,Z轴指向上方;YZ平面通过吊具左右中线,且垂直于地面;坐标 原点位于车道的前后方向中心线上;
[0059] 所使用的空间数据的定义为:
[0060] 1)尺度:本文中所述的“长度”在X方向上定义,“宽度”在Y方向上定义,“高度”在Z 方向上定义;
[0061] 2)位置:Pos (Posx,Posy,Posz)表不坐标为(Posx,Posy,Posz)的点;
[0062] 3)二维投影坐标:Posxy (x,y)表示Pos在XY平面的投影点坐标;Posyz (y,z)表示Pos 在YZ平面的投影点坐标;Poszx (z,X)表示Pos在ZX平面的投影点坐标;
[0063] 4)方向:0表示“静止”,-1表示“左行/后退/下降”,1表示“右行/前进/上升”。
[0064] 所使用的几何符号的定义为:
[0065] I) Seg (Posi,PoS2):端点为Posi和PoS2的线段;
[0066] 2:
Figure CN108584716AD00071
:从 P〇sjlJP〇S2 的矢量;
[0067] 3)RectxY(PosxY,L,W) :XY平面上的对边分别平行于X轴和Y轴的矩形,中心点为 Posxy,长度为L,宽度为W;
[0068] 4) Ω (RectXY,LD):激光扫描仪LD的当前扫描数据点的子集,其中的扫描数据点在 XY平面上的垂直投影落入RectxY内。
[0069] 3、实时工况状态参数定义
[0070] 本发明中所使用的实时工况状态参数的定义如下:
[0071] 1)0:表示“解锁/未伸展”;
[0072] 2)1:表示“锁闭/伸展”;
[0073] 3) 2:表示“双锁闭”。
[0074] 4、基本工况参数
[0075] 本发明中涉及的基本工况参数的定义、符号表示和获取方式综述如下:
[0076] 1)扫描仪
[0077] 扫描周期Tls,扫描仪扫描一周需要的时间,由扫描仪技术规格获取,本发明中简写 为Δ t;扫描光斑半径LDSRad (d),距扫描仪扫描原点的距离为d时扫描仪的测量光斑的半 径,由扫描仪技术规格获取。
[0078] 2)集装箱
[0079] 各箱型的长宽高Cl/Cw/Ch为国际标准,其中Cw完全相同,箱型的长度和高度符号 为:
[0080] ⑴20呎箱:长度为CL-2〇,高度为Ch ;
[0081] (2) 40呎箱:包括普通箱和高箱两种箱型,普通箱的长度为Cl-40,高度与20呎箱相 同;高箱的高度为Cm,长度与普通箱相同;
[0082] (3) 45呎箱:长度为Cl-45,其他参数与40呎高箱相同。
[0083] 3)大车
[0084] (1)行走部长度:IA,由设计图纸获取;
[0085] (2)行走部宽度:LMw,由设计图纸获取;
[0086] ⑶制动加速度:LKAx,完全制动时的加速度,由起重机技术规格获取,在大车坐标 系中需要取反。
[0087] 4)吊具
[0088] (1)吊臂未展开时的整体长度:Dl,由设计图纸获取;
[0089] (2)吊臂展开时的整体长度:Dl-e,由设计图纸获取;
[0090] (3)整体宽度:Dw,由设计图纸获取;
[0091] ⑷吊具主梁高度:DMh,由设计图纸获取;
[0092] (5)吊具下底面轮廓最低点与主梁下底面的垂直距离:DMofSH,由设计图纸获取;
[0093] ⑹吊具前后主梁外间距:DMw,由设计图纸获取;
[0094] ⑺吊具锁销高度:DLockH,由设计图纸获取;
[0095] ⑻制动加速度:DKAz,由起重机技术规格获取。
[0096] 5)拖车
[0097] (1)最大长度:TL-max,由行业规范获取;
[0098] (2)最大宽度:T™,由行业规范获取;
[0099] ⑶平板最大长度:TPL-max,由行业规范获取;
[0100] ⑷平板最大高度:TCPmax,平板载箱区的最大高度,由行业规范获取;
[0101] ⑸平板整体最大高度:TPH-max,包括平板载箱区周边附件的最大高度,由行业规范 获取;
[0102] ⑹平板整体最小高度:TPH-min,包括平板载箱区周边附件的最小高度,由行业规范 获取;
[0103] ⑺车头最大高度:THH-max,由行业规范获取;
[0104] ⑻载箱上表面最大高度:TCUZ-max = TCPH-max+CHH。
[0105] 6)车道
[0106] (1)宽度:TChw,由建筑图纸获取;
[0107] (2)门腿间距:TChSafew,为车道后边缘与后门腿外轮廓Y方向前沿的距离,由建筑 图纸获取。
[0108] 7)堆场
[0109] (1)宽度:Fw,由建筑图纸获取;
[0110] (2)车道前沿间距:FSafew,堆场后边缘与车道前边缘的间距,由建筑图纸获取。
[0111] 5、实时工况参数
[0112] 本发明中涉及的实时工况参数的定义、符号表示和获取方式综述如下:
[0113] 1)时间
[0114] t:系统的当前时间。
[0115] 2)大车
[0116] (1)行走方向:LMDirx,从起重机控制系统获取,在大车坐标系中需要做-1/1取反;
[0117] (2)行走速度:LVx,从起重机控制系统获取,在大车坐标系中需要取反。
[0118] 3)吊具
[0119] (1)升降方向:DVDirz,从起重机控制系统获取;
[0120] (2)实时升降速度:DVz,能够从起重机控制系统获取,但是不精确,需要独立测量;
[0121] (3)锁销锁闭状态= DLStat,从起重机控制系统获取;
[0122] ⑷吊臂伸展状态:DBStat,从起重机控制系统获取。
[0123] 由吊具在车道上方下降时的锁销锁闭状态可以确定本次作业的作业模式,包括:
[0124] (1)装箱:DLStat = I,吊具锁闭;
[0125] (2)卸箱:DLStat = O,吊具解锁。
[0126] 由吊具的锁销锁闭状态和吊臂伸展状态,可以导出吊具的实时装载状态,包括以 下5种:
[0127] (1) 20呎空载= DLStat = O且DBStat = O,锁销未锁闭、吊臂未伸开;
[0128] ⑵40呎空载:DLStat = 0且DBStat = 1,锁销未锁闭、吊臂伸开;
[0129] (3)单20呎装载:DLStat = 1且DBStat = 0,锁销锁闭、吊臂未伸开;
[0130] ⑷40卩尺装载:DLStat = I且DBStat = 1,锁销锁闭、吊臂伸开;
[0131] (5)双20呎装载:DLStat = 2且DBStat = I,锁销双锁闭、吊臂伸开。
[0132] 4)拖车
[0133] 全长拖车的实时装载状态有以下6种:
[0134] ⑴空载:未装箱;
[0135] (2)单40呎箱:装载一个40呎集装箱;
[0136] (3)单45呎箱:装载一个45呎集装箱;
[0137] ⑷双20呎箱:装载两个20呎集装箱;
[0138] (5)左20呎箱:仅左箱位装载一个20呎集装箱;
[0139] ⑹右20呎箱:仅右箱位装载一个20呎集装箱。
[0140] 上述装载状态无法从起重机的控制系统获取,需要基于激光扫描仪的实时扫描数 据和吊具的实时工况参数进行计算和推导。
[0141] 二、系统结构
[0142] 1、设备组成及功能
[0M3]如图2和图3所示,系统的设备组成、安装方式及基本功能包括:
[0144] 1)激光扫描仪:4台,以水平或垂直方式安装在起重机后门腿上,获取车道周边工 作环境的空间信息,为作业工况信息的计算提供实时扫描数据;
[0145] 2)拖车放行指示灯:2台,安装在后门腿的左右两侧便于拖车司机观察的位置上, 从系统控制器接收并向拖车司机发送拖车放行/禁行信号;
[0146] 3)作业辅助显示器:1台,安装在起重机司机室,从系统控制器接收并向起重机司 机显示作业辅助数据,提高司机的作业效率。
[0147] 4)系统控制器:1台,安装在起重机的适当部位,通过以太网与激光扫描仪通讯,并 通过工业控制总线与起重机控制系统通讯。系统控制器利用起重机、拖车和堆场的基本工 况参数、从起重机控制系统获取的实时工况参数和从激光扫描仪获取的实时扫描数据完成 复合工况参数及作业辅助数据的计算和作业险情的判定,并向起重机控制系统和拖车放行 指示灯发出险情规避操作指令,同时向起重机司机提供包括大车对位和小车对位的作业辅 助数据。
[0148] 2、激光扫描仪安装方式及实时扫描数据坐标变换
[0149] 系统的4台激光扫描仪的安装位置说明如下:
[0150] 1)左扫描仪(LLD):理想安装位置为大车行走部左侧的前后方向中央位置上,激光 扫描面与地面平行,因此其扫描原点坐标为:LLDPos (LLDPosx,LLDPosy,LLDPosz),其中:
[0151] (I) LLDPosx=-LMl/2,可调节;
[0152] ⑵ LLDPosy = -TChw/2-TChSafew_LMw/2,可调节;
[0153] (3) LLDP0sz可调节,在考虑扫描仪的设备安全和可靠工作的前提下,安装高度尽 可能低,提高对低矮障碍物的发现能力。
[0154] 左扫描仪的扫描数据点从设备坐标(x,y)向大车坐标(X,Y,Z)的变换方式为:
Figure CN108584716AD00101
[0156] 2)右扫描仪(RLD):理想安装位置为大车行走部右侧的前后方向中央位置上,激光 扫描面与地面平行,因此其扫描原点坐标为:RLDPos (RLDPosx,RLDPosy,RLDPosz),其中:
[0157] (I) RLDPosx=LMl/2,可调节;
[0158] ⑵ RLDPosy = -TChw/2-TChSafew_LMw/2,可调节;
[0159] (3) RLDP〇Sz,可调节,在考虑扫描仪的设备安全和可靠工作的前提下,安装高度尽 可能低,提高对低矮障碍物的发现能力。
[0160]右扫描仪的扫描数据点从设备坐标(x,y)向大车坐标(X,Y,Z)的变换方式为:
Figure CN108584716AD00111
[0162] 3)水平扫描仪(HLD):理想安装位置为后门腿内侧、与吊具左右方向中央位置对齐 的位置上,激光扫描面与地面平行,因此其扫描原点坐标为:HLDPos (HLDPoSx,HLDPosy, HLDPosz),其中:
[0163] (I) HLDPosx=O,可调节;
[0164] (2) HLDPosy根据后门腿内侧的实际安装条件确定;
[0165] (3) HLDPosz = TPH-max+LDSRadmax;
[0166] ⑷LDSRadmax为拖车载箱作业区内扫描仪扫描光斑的最大半径:
[0167] LDSRacUx = LDSRad (sdxY-·) +HLDSafefi
[0168] (5) sdXY-max为在卸箱作业位置上的拖车平板承载面远角距离HLD扫描原点的最远 水平距离,计算方法为:
Figure CN108584716AD00112
[0170] ⑹HLDSafeli为安全扫描保护高度,一般取5cm左右。
[0171] 水平扫描仪的扫描数据点从设备坐标(x,y)向大车坐标(X,Y,Z)的变换方式为:
Figure CN108584716AD00113
[0173] 4)垂直扫描仪(VLD):理想安装位置为大车后门腿内侧、水平扫描仪正上方的位置 上,激光扫描面与YZ平面重合,因此其扫描原点坐标为:VLDPos (VLDPosx,VLDPosy, VLDPosz),其中:
[0174] (I) VLDPosx=O,可调节;
[0^5] (2) VLDPosy根据后门腿内侧的实际安装条件确定;
[0176] (3) VLDPosz彡TCUZ-max+VLDSafeH;即必须高于拖车载箱上表面高度的最大值;
[0177] ⑷VLDSafeH为垂直扫描的安全保护距离,一般根据实际安装条件取2〜4米。
[0178] 垂直扫描仪的扫描数据点从设备坐标(x,y)向大车坐标(Χ,Υ,Ζ)的变换方式为:
Figure CN108584716AD00114
[0180] 上述各激光扫描仪的安装位置都是理想位置,可调节的位置参数需根据实际的安 装条件确定,激光扫描仪实际的测量数据点经坐标平移即可转换到理想安装方式下的激光 扫描仪设备坐标系中,不影响下文的叙述。
[0181] 各激光扫描仪获取的实时测量数据点需要根据激光扫描仪的安装方式和安装位 置从激光扫描仪设备坐标系转换到大车坐标系中,下文中的激光扫描仪实时测量数据点的 坐标都是指在大车坐标系中的坐标。
[0182] 3、主控程序处理流程
[0183] 如图4所示,系统的主控程序运行在系统控制器上,顺序完成如下处理流程:
[0184] 1)从各激光扫描仪获取实时扫描数据;
[0185] 2)从起重机控制器获取实时工况参数;
[0186] 3)计算和生成复合工况参数和作业状态数据;
[0187] 4)对当前作业状态下的可能险情进行检测;
[0188] 5)如发现某种作业险情,对起重机控制系统发出对应的险情规避操作指令,或/和 通过拖车放行指示灯发出拖车禁行指令;
[0189] 6)基于复合工况参数计算作业辅助数据,并通过作业辅助显示器向起重机司机显 不。
[0190] 4、复合工况参数计算
[0191] 复合工况参数基于基本工况参数、从起重机控制系统获取的实时工况参数、水平 和垂直扫描仪获取的实时扫描数据进行计算,用于检测作业险情和计算作业辅助数据。
[0192] 1)大车制动距离
[0193] 大车制动距离复合工况参数与左右扫描仪的实时扫描数据相配合,用于检测“大 车碰撞”险情,计算方法如下:
Figure CN108584716AD00121
[0195] 2)垂直扫描仪复合工况参数
[0196] 如图5所示,从垂直扫描仪扫描获取的吊具和作业箱的垂直截面轮廓实时扫描数 据中,基于吊具主梁和作业箱的YZ剖面的几何特征,能够提取两者的位置和尺度信息。
[0197] 垂直扫描仪的实时扫描轮廓数据中,特征轮廓的提取方式为:
Figure CN108584716AD00122
Figure CN108584716AD00131
[0200]基于上述特征轮廓数据,吊具的复合工况参数的计算方法为:
Figure CN108584716AD00132
Figure CN108584716AD00141
[0203] 上述复合工况参数用于检测“碰砸车头”、“拖车吊起’、“吊具横拉”险情。
[0204] 3)水平扫描仪复合工况参数
[0205] 从水平扫描仪获取的拖车、作业箱以及堆场的水平截面轮廓实时扫描数据中,基 于各作业要素的XY剖面的几何特征,能够提取各要素的位置和尺度信息,并可以进一步计 算拖车和堆场的复合工况参数。
[0206] (1)拖车复合工况参数和装载状态
[0207] 如图6所示,从拖车和作业箱的水平截面轮廓中,在车道范围内,基于拖车载箱和 车头的XY剖面的几何特征,能够提取两者的位置和尺度信息,提取方式为:
Figure CN108584716AD00142
Figure CN108584716AD00151
[0210]基于上述特征轮廓数据,拖车的复合工况参数的计算方法为:
Figure CN108584716AD00152
Figure CN108584716AD00161
[0213]根据拖车的复合工况参数和吊具的实时装载状态判定拖车的实时装载状态的方 法为:
Figure CN108584716AD00162
Figure CN108584716AD00171
[0216] 拖车复合工况参数和装载状态用于检测“碰砸车头”、“拖车吊起”、“吊具横拉”险 情,也用于计算作业辅助数据。
[0217] (2)堆场复合工况参数
[0218] 如图7所示,拖车为空载,或作业箱被吊起后,在堆场范围内,水平扫描仪能够扫描 到堆场内各前排底层箱的截面轮廓,基于其XY剖面的几何特征,能够提取大车当前对位的 前排底层箱的位置信息,提取方式为:
Figure CN108584716AD00172
[0221]基于上述特征轮廓数据,堆场复合工况参数的计算方法为:
Figure CN108584716AD00181
[0223] 堆场复合工况参数用于计算作业辅助对位数据。
[0224] 5、险情判定逻辑及险情规避操作指令
[0225] 各种作业险情的判定方法和需要采取的险情规避操作指令如下:
[0226] 1)大车碰撞
[0227] 大车碰撞险情判定方法为:在大车当前的行走方向上的最短制动距离范围内,左/ 右扫描仪如果扫描到障碍物,则存在大车碰撞险情。大车碰撞险情包括左碰撞险情和右碰 撞险情,左碰撞险情检测逻辑及险情规避操作指令如下:
Figure CN108584716AD00182
Figure CN108584716AD00191
[0230]大车右碰撞险情的检测逻辑及险情规避操作指令如下:
Figure CN108584716AD00192
Figure CN108584716AD00201
[0233] 2)碰砸车头
[0234] 碰砸车头险情的判定方法为:在当吊具下工作面与拖车车头顶部之间的距离小于 吊具制动保护距离时,如果吊具(包括作业箱)的垂直投影覆盖范围与拖车车头的垂直投影 覆盖范围相互重叠,则存在碰砸车头险情。碰砸车头险情的检测逻辑及险情规避操作指令 为:
Figure CN108584716AD00202
Figure CN108584716AD00211
[0237] 3)车道碰箱
[0238] 车道碰箱险情的判定方法为:当带箱吊具下工作面与拖车载箱顶部之间的距离小 于吊具制动保护距离时,如果吊具作业箱的垂直投影覆盖范围与拖车载箱的垂直投影覆盖 范围相互重叠,则存在车道碰箱险情。车道碰箱险情的检测逻辑及防护措施为:
Figure CN108584716AD00212
[0240] 4)拖车吊起
[0241] 拖车吊起险情的判定方法为:卸箱作业时,当带箱吊具下工作面高度超过吊起检 测高度时,如果水平扫描仪在吊具作业箱的垂直投影覆盖范围和拖车平板的垂直投影覆盖 范围的重叠区内检测到目标存在,也就是说,作业箱与拖车平板之间没有完全分离,则存在 拖车吊起险情。拖车吊起险情的检测逻辑及险情规避操作指令为:
Figure CN108584716AD00221
[0243] 5)吊具横拉
[0244] 吊具横拉险情的检测方法为:卸箱作业时,带箱吊具下工作面高度未超过吊起检 测高度,或超过吊起检测高度但检测到拖车吊起险情;以及装箱作业时,吊具锁销尚未解 锁,或解锁后吊具尚未上升至安全高度时,存在吊具横拉险情。吊具横拉险情的检测逻辑及 险情规避操作指令为:
Figure CN108584716AD00231
[0246] 6、作业辅助数据
[0247] 1)拖车载箱对位数据
[0248] 卸箱作业抓取拖车载箱时,当吊具下降到适当高度时,系统根据拖车载箱的位置 计算吊具与作业箱之间的对位数据,并通过作业辅助显示器向起重机司机显示大车和小车 的移动调整量,系统计算的对位数据为吊具的整体移动矢量歹,泛的X值为大车移动调整 量,歹的Y值为小车移动调整量,计算方法为:
Figure CN108584716AD00241
[0251] 2)陆地堆场箱列对位数据
[0252] 卸箱作业在陆地堆场放置作业箱时,或装箱作业在堆场抓取目标箱时,系统根据 堆场内与大车当前位置对位的前排底层箱的左右位置计算吊具与对位箱之间的左右位置 偏差,并通过作业辅助显示器向起重机司机显示大车的移动调整量,计算方法如下:
Figure CN108584716AD00251
[0254]起重机司机如果严格按作业辅助数据在堆场完成码箱作业,能够逐步实现各箱列 在左右方向上的严格对齐,假以时日,能够显著提升作业效率。

Claims (9)

1. 一种门式起重机安全防护和作业辅助系统,其特征在于:包括系统控制器和分别与 所述系统控制器连接的激光扫描仪、拖车放行指示灯和作业辅助显示器;所述系统控制器 通过以太网与所述激光扫描仪通讯,并通过工业控制总线与起重机控制系统通讯,利用起 重机、拖车和堆场的基本工况参数、从起重机控制系统获取的实时工况参数和从所述激光 扫描仪获取的实时扫描数据,完成复合工况参数及作业辅助数据的计算和作业险情的判 定,并向起重机控制系统和所述拖车放行指示灯发出险情规避操作指令,同时将大车对位 和小车对位的所述作业辅助数据发送给所述作业辅助显示器进行显示。
2. 根据权利要求1所述的一种门式起重机安全防护和作业辅助系统,其特征在于:所述 激光扫描仪包括左扫描仪、右扫描仪、水平扫描仪和垂直扫描仪,用于获取车道周边工作环 境的空间信息,并传送给所述系统控制器。
3. 根据权利要求2所述的一种门式起重机安全防护和作业辅助系统,其特征在于:所述 左扫描仪安装在起重机后门腿大车行走部左侧的前后方向中央位置上,激光扫描面与地面 平行;所述右扫描仪安装在起重机后门腿大车行走部右侧的前后方向中央位置上,激光扫 描面与地面平行;所述水平扫描仪安装在起重机后门腿内侧、与吊具左右方向中央位置对 齐的位置上,激光扫描面与地面平行;所述垂直扫描仪安装在起重机后门腿内侧、水平扫描 仪的正上方的位置上,激光扫描面与地面垂直、且平行于小车行走方向。
4. 根据权利要求3所述的一种门式起重机安全防护和作业辅助系统,其特征在于:各所 述激光扫描仪的安装位置可根据起重机后门腿的实际安装条件进行必要调整。
5. 根据权利要求1所述的一种门式起重机安全防护和作业辅助系统,其特征在于:所述 拖车放行指示灯安装在起重机后门腿两侧便于拖车司机观察的位置上。
6. 根据权利要求1所述的一种门式起重机安全防护和作业辅助系统,其特征在于:所述 作业辅助显示器安装在起重机司机室。
7. 根据权利要求1所述的一种门式起重机安全防护和作业辅助系统,其特征在于:所述 系统控制器计算的主要所述复合工况参数包括: 1) 大车的最小制动距离; 2) 吊具在空载状态或带箱状态时的地面垂直投影覆盖范围、下工作面高度、实时升降 速度和下降制动距离; 3) 拖车车头和平板的地面垂直投影估算覆盖范围,以及作业目标箱的地面垂直投影中 心位置和覆盖范围; 4) 陆地堆场内能够被水平扫描仪扫描到的、与大车当前位置对位的前排底层箱的左右 方向中心位置。
8. 根据权利要求7所述的一种门式起重机安全防护和作业辅助系统,其特征在于:所述 系统控制器对所述作业险情的判定方法及对应的险情规避操作指令为: 1) 当检测到在大车当前行走方向上的最短制动距离范围内存在障碍物时,贝1J判定存在 大车碰撞作业险情,所述系统控制器向起重机控制系统发出大车制动指令; 2) 在吊具下降过程中,当吊具下工作面与拖车车头顶部之间的垂直距离小于吊具制动 保护距离时,若检测到吊具及作业箱的地面垂直投影覆盖范围与拖车车头的地面垂直投影 估算覆盖范围有重叠时,则判定存在碰砸车头作业险情,所述系统控制器向起重机控制系 统发出吊具制动指令; 3) 在20呎装箱作业时,当带箱吊具下工作面与拖车所载的另一个20呎载箱顶部之间的 垂直距离小于吊具制动保护距离时,若检测到吊具作业箱的地面垂直投影覆盖范围与拖车 的20呎载箱的地面垂直投影覆盖范围有重叠时,则判定存在车道碰箱作业险情,所述系统 控制器向起重机控制系统发出吊具制动指令; 4) 在卸箱作业时,当带箱吊具下工作面高度超过吊起检测高度时,若检测到吊具作业 箱的地面垂直投影覆盖范围和拖车平板的地面垂直投影覆盖范围的重叠区内有目标存在 时,则判定存在拖车吊起作业险情,所述系统控制器向起重机控制系统发出吊具制动指令; 5) 卸箱作业时,在吊具锁销已锁闭的情况下,若检测到带箱吊具下工作面高度尚未超 过吊起检测高度,或超过吊起检测高度但检测到拖车吊起险情时;以及装箱作业时,在吊具 锁销已解锁的情况下,若检测到吊具尚未上升至安全高度,则判定存在吊具横拉作业险情, 所述系统控制器通过所述拖车放行指示灯发出拖车禁行指令。
9.根据权利要求7所述的一种门式起重机安全防护和作业辅助系统,其特征在于:所述 作业辅助数据的计算方法及使用方式包括: 1) 作业目标箱对位数据:卸箱作业过程中,当吊具抓取拖车承载的作业目标箱且下降 至作业对位高度时,所述系统控制器根据作业目标箱的地面垂直投影中心位置计算吊具与 作业目标箱之间的对位数据,并通过所述作业辅助显示器向起重机司机显示大车的左右移 动调整量和小车的前后移动调整量; 2) 陆地堆场箱列对位数据:卸箱作业在陆地堆场放置作业箱、或装箱作业在陆地堆场 抓取目标箱时,所述系统控制器根据堆场内与大车当前位置对位的前排底层箱的左右方向 中心位置计算吊具与对位箱之间的左右位置偏差,并通过所述作业辅助显示器向起重机司 机显示大车的移动调整量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110615361A (zh) * 2019-09-30 2019-12-27 青岛海西重机有限责任公司 一种轮胎式龙门起重机的远程操作系统及起重机

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